【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及控制和优化物体沿着轨迹执行所希望任务的系统和方法，并且更特别地，涉及在使用互补性约束进行避碰(collision avoidance)的情况下的物体操纵的系统和方法。
技术介绍
1、在许多实际应用中，机器和物体在经常杂乱地堆满障碍物并因此易于碰撞的环境中工作。这种环境被认为是受约束环境。障碍物可以是其它物体、机器、生物等。根据操作条件，在这种受约束环境中操作的系统可以包括静态和/或动态障碍物。这样的系统可以被认为是动力学系统，并且可以使用非线性微分代数方程(dae)来描述。在这样的系统中，需要优化物体穿行的轨迹以拟合不同的操作场景。这种系统的一个示例是用于机器人操纵的系统。
2、可以将机器人系统配置成控制包括机械臂(也被称为机械手(manipulator))的机器人装置。例如，机器人系统可以包括接收输入信号并生成控制信号的控制器，其中，机械臂可以向控制器提供反馈信号。这种系统的示例是工业组装任务，在工业组装任务中使用机械手(robotic manipulator)组装产品，同时避免与其它机器人及其工作环境的碰撞。
3、对机械手的最优轨迹的规划包括在最小化执行所希望任务的时间的同时避开障碍物，并且通常是困难的优化问题。任何轨迹优化算法将必须最小化执行为任务所需的时间，同时满足机械手的动力学的约束以及由于避碰而造成的约束。避开障碍物的要求导致了一组非平滑、非凸约束，而对于该组非平滑约束的连续时间动力学系统的优化是一个难以解决的问题。在轨迹生成和优化期间，需要实施由于避障(obstacle avoid
技术实现思路
1、技术问题
2、这种公式化的缺点是距离约束最好是一次可微分的或者根本不可微分的。例如，常规的轨迹规划算法使用非线性规划算法，其假设约束是至少一次连续可微分的。这导致计算控制的优化问题变为不可微分的情形。因此，需要避障约束的明智公式化，以便使公式化服从非线性规划算法。
3、为此，需要在避开至少一个障碍物的同时优化物体的轨迹，其中使优化经受平滑约束。
4、技术方案
5、一些实施方式旨在提供一种用于控制执行任务的物体的运动以在避免该物体与障碍物碰撞的同时从开始状态到结束状态改变该物体的状态的系统和方法。物体的状态从开始状态到结束状态的变化可以包括通过一序列状态的轨迹。另外或者另选地，一些实施方式的目的是优化执行任务的物体的状态的轨迹，从而整体上优化任务的执行。这种受控物体的示例包括机械手、自主汽车、无人机等。
6、一些实施方式基于这样的实现，即，轨迹优化算法需要满足系统的多个约束。这些约束可能因系统的动力学模型、系统的状态和控制边界或者因避障约束而产生。dae足以表示平滑的动力学系统。遗憾的是，一些系统的动力学并不总是平滑的，因此不能完全由dae来表达。然而，一些实施方式基于这样的实现，即，可以通过使用关于某些状态变量的互补性条件来表达一些非平滑动力学。其中互补性条件被用于表达非平滑动力学的系统的一些示例是具有摩擦相互作用的系统，其中，摩擦相互作用被表达为互补性条件。一些实施方式基于这样的实现，即，使用互补性条件来公式化平滑动力学允许创建可以利用非线性规划算法解决的优化问题。
7、一些示例实施方式基于作为凸优化问题的避障约束的公式化。一些示例实施方式基于这样的理解，即，避障必须被公式化为具有足够平滑度的优化中的约束。这种公式化确保任何可行的轨迹将避开障碍物，并且约束的平滑度允许采用非线性规划算法。此外，优化公式化的任何局部最小值满足避开障碍物，从而避免获得全局最小值的需要。
8、一些实施方式基于这样的理解，即，在对控制问题的这种公式化中，用于执行任务的控制可以被认为是主控制问题，而避碰是从属控制问题。主控制问题是优化问题。然而，避碰问题也是优化问题，因为为了检查各种形状的不同物体的两个点之间的碰撞，需要找到这些物体之间的最近点，并且对最近点的搜索是两个物体的所有不同点之间的距离的优化(即，最小化)问题。因此，避免碰撞的最优物体控制包括求解嵌套优化问题，即，参考轨迹的优化以及避碰所需的优化。
9、解决嵌套优化本身是具有挑战性的问题，但是在避碰应用的背景下更加具有挑战性。这是因为避碰所需的优化是不适定(ill-posed)的问题。毕竟，不同物体的多对点可以具有相同的距离。虽然希望避免所有对点以最小距离碰撞，但是这种模糊性使得避碰优化不可微分，这进而可能妨碍嵌套优化实现主要控制目标。
10、因此，一些实施方式的目的是解决避免碰撞的最优控制应用的嵌套优化的计算问题。一些实施方式基于这样的实现，即，由于避碰优化从属于主控制问题，所以可以将其解替换成对主控制问题的解的测试。该测试的特性使得如果测试得到满足，则主控制优化的解对于不同物体的所有不同的对点是无碰撞的。而且，在通过各种可微分的技术来控制对受控物体的状态的变化优化的背景下，这种测试应当以可微分的方式取决于物体的状态。还认识到，这种测试可以借助于互补性约束来限定。
11、一些实施方式基于这样的认识，即，如果物体的点之间的距离被表示为其所有点之间的差的距离函数，则物体之间的最小距离对应于该函数的平稳点(stationarypoint)。如本文所使用的，一个变量(诸如距离)的可微分函数的平稳点是该函数的曲线图上的其中该函数的导数沿着可行的运动方向是非负的点。这种距离函数的每一个一阶平稳点是最小元(minimizer)，并且距离函数的模糊性表明这种函数可以具有多个平稳点。在任何情况下，根据这种公式化，可以通过这种距离函数的一阶平稳条件的解来替换最优最小化问题。有利地，可以以可微分的方式找到这种解，从而确保允许各种非线性规划算法的适用性。
12、一些实施方式基于另一实现：可以将控制下的物体的形状和可以造成碰撞的障碍物的形状表示为凸包，使得这些物体中的各个点皆是对应包的顶点的非负权重的向量。有利地，这种表示允许将这些向量的权重与物体的状态分离。具体地，由凸包表示的物体的位置取决于状态，但是限定凸包中的不同点的权重本身与状态无关。这样的表示使物体的点与障碍物的点之间的距离的公式化成为凸问题，在该凸问题中，需要将权重落在单形体(simplex)上。单形体是凸集，其元素、权重是非负的并且总和为一。最小距离优化的凸性允许使用经受互补性约束的一阶平稳条件来重新公式化。
13、以这样的方式，一些实施方式将嵌套优化问题变换成单个优化问题，该单个优化问题经受关于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于控制执行任务的物体的运动以在避免所述物体与障碍物碰撞的同时从开始状态到结束状态改变所述物体的状态的控制器，所述控制器包括：至少一个处理器；以及存储器，所述存储器上存储有指令，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述控制器：
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述物体的所述凸形状和所述障碍物的所述凸形状中的每一个为由限定所述物体的凸包内的点的一组不等式以及限定所述障碍物的凸包内的点的一组不等式所限定的凸包，并且其中，所述互补性约束被强加于所述物体的所述一组不等式以及所述障碍物的所述一组不等式，以实施所述物体与所述障碍物之间的所述最小距离。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述物体的所述凸形状和所述障碍物的所述凸形状中的每一个为由一组顶点限定的多面体，其中，所述物体的所述多面体内的点被限定为所述物体的所述多面体的所述顶点的加权组合，其中，所述障碍物的所述多面体内的点被限定为所述障碍物的所述多面体的所述顶点的加权组合，并且其中，所述互补性约束被强加于所述物体的所述多面体的所述顶点的权重以及所述障碍物的所述多面体的所述顶点的所述权重，以实施
4.根据权利要求3所述的控制器，其中，与所述物体的所述动力学相对应的所述数据包括描述响应于施加所述物体的致动器的一个或更多个力的所述物体的所述状态的变化的一组方程，其中，与所述障碍物的所述动力学相对应的所述数据包括将所述障碍物的状态限定为时间函数的所述障碍物的轨迹，其中，由所述互补性约束支配的所述权重独立于所述物体的所述状态以及所述障碍物的所述状态，其中，所述优化问题通过根据所述物体和所述障碍物的对应状态改变所述物体的所述多面体的所述顶点的位置以及所述障碍物的所述多面体的所述顶点的位置，来对所述最小距离进行建模。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器被配置成将所述优化问题求解为具有互补性约束的数学规划MPCC，其中，所述优化问题的解将限定最小时间问题、物体操纵问题或者目标函数的数学结构中的一个或更多个的目标函数优化。
6.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成接收与具有所述最小距离的避碰有关的约束，其中，与所述避碰有关的所述约束包括所述物体的路径约束以及所述物体和所述障碍物的距离约束中的一个或组合。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中，为了控制所述物体的运动，所述控制器还被配置成生成控制命令，所述控制命令引导至少一个致动器移动所述物体以遵循所述最优轨迹。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成使所述致动器生成最优轨迹力。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述物体的所述运动是通过经由互补性约束在物体模型的主体上施加力的接触作为富接触多体相互作用来进行控制的，使得所述优化问题在经受所述多体相互作用的所述互补性约束以及关于所述一阶平稳条件的所述互补性约束的情况下来进行求解。
10.根据权利要求1所述的控制器，其中，为了控制所述物体的所述运动以实现自主组装的任务是通过使用互补性条件对不同部分之间的所希望的接触状态进行控制来执行的，并且通过对被表示为互补性条件的最小距离函数进行建模，来避免与环境的不希望的碰撞。
11.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述物体的凸包与所述障碍物的凸包之间的所述最小距离被限定为：
12.一种用于控制执行任务的物体的运动以在避免所述物体与障碍物碰撞的同时从开始状态到结束状态改变所述物体的状态的方法，其中，所述方法使用与实现所述方法的所存储指令联接的处理器，其中，所述指令在由所述处理器执行时，执行所述方法的步骤，所述方法包括以下步骤：
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述物体的所述凸形状和所述障碍物的所述凸形状中的每一个为由限定所述物体的凸包内的点的一组不等式以及限定所述障碍物的凸包内的点的一组不等式所限定的凸包，并且其中，所述互补性约束被强加于所述物体的所述一组不等式以及所述障碍物的所述一组不等式，以实施所述物体与所述障碍物之间的所述最小距离。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述物体的所述凸形状和所述障碍物的所述凸形状中的每一个为由一组顶点限定的多面体，其中，所述物体的所述多面体内的点被限定为所述物体的所述多面体的所述顶点的加权组合，其中，所述障碍物的所述多面体内的点被限定为所述障碍物的所述多面体的所述顶点的加权组合，并且其中，所述互补性约束被强加于所述物体的所述多面体的所述顶点的权重以及所述障碍物的所述多面体的所述顶点的所述权重，以实施所述物体与所述障碍物之间的所述最小距离。...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于控制执行任务的物体的运动以在避免所述物体与障碍物碰撞的同时从开始状态到结束状态改变所述物体的状态的控制器，所述控制器包括：至少一个处理器；以及存储器，所述存储器上存储有指令，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述控制器：
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述物体的所述凸形状和所述障碍物的所述凸形状中的每一个为由限定所述物体的凸包内的点的一组不等式以及限定所述障碍物的凸包内的点的一组不等式所限定的凸包，并且其中，所述互补性约束被强加于所述物体的所述一组不等式以及所述障碍物的所述一组不等式，以实施所述物体与所述障碍物之间的所述最小距离。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述物体的所述凸形状和所述障碍物的所述凸形状中的每一个为由一组顶点限定的多面体，其中，所述物体的所述多面体内的点被限定为所述物体的所述多面体的所述顶点的加权组合，其中，所述障碍物的所述多面体内的点被限定为所述障碍物的所述多面体的所述顶点的加权组合，并且其中，所述互补性约束被强加于所述物体的所述多面体的所述顶点的权重以及所述障碍物的所述多面体的所述顶点的所述权重，以实施所述物体与所述障碍物之间的所述最小距离。
4.根据权利要求3所述的控制器，其中，与所述物体的所述动力学相对应的所述数据包括描述响应于施加所述物体的致动器的一个或更多个力的所述物体的所述状态的变化的一组方程，其中，与所述障碍物的所述动力学相对应的所述数据包括将所述障碍物的状态限定为时间函数的所述障碍物的轨迹，其中，由所述互补性约束支配的所述权重独立于所述物体的所述状态以及所述障碍物的所述状态，其中，所述优化问题通过根据所述物体和所述障碍物的对应状态改变所述物体的所述多面体的所述顶点的位置以及所述障碍物的所述多面体的所述顶点的位置，来对所述最小距离进行建模。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器被配置成将所述优化问题求解为具有互补性约束的数学规划mpcc，其中，所述优化问题的解将限定最小时间问题、物体操纵问题或者目标函数的数学结构中的一个或更多个的目标函数优化。
6.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成接收与具有所述最小距离的避碰有关的约束，其中，与所述避碰有关的所述约束包括所述物体的路径约束以及所述物体和所述障碍物的距离约束中的一个或组合。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中，为了控制所述物体的运动，所述控制器还被配置成生成控制命令，所述控制命令引导至少一个致动器移动所述物体以遵循所述最优轨迹。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成使所述致动器生成最优轨迹力。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述物体的所述运动是通过经由互补性约束在物体模型的主体上施加力的接触作为富接触多体相互作用来进行控制的，使得所述优化问题在经受所述多体相互作用的所述互补性约束以及关于所述一阶平稳条...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·拉格胡娜汉，D·贾，D·罗梅雷斯，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：
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